交联聚乙烯电力电缆水树产生机理、检测及预防.pdf

2 0 0 9年第 4期 No． 4 2 0 09 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e＆ Cab l e 2 0 0 9年 8月 Au g ．， 2 0 09 交联聚乙烯 电力电缆水树产生机理 、 检测及预防 陈 涛 ， 魏娜娜 ， 陈 守娥 ， 王连成 ， 王 雨 ( 特变电工山东鲁。能泰山电缆有限公司 ， 山东 新泰 2 7 1 2 0 0 ) 摘要 ： 分析 交联聚 乙烯 电力电缆绝缘 中水树产 生的机 理及检 测方 法， 并对如何 防止绝缘 中水树产生提 出了解 决措 施 。 关 键词： 交联聚 乙烯 电力电缆 ； 水树 ； 产 生机理 ； 预防 中图分类号 ： T M2 4 7 ． 1 文献标识码 ： A 文章编 号： 1 6 7 2 - 6 9 0 1 ( 2 0 0 9 ) 0 4 - 0 0 0 1 - 0 4 M e c h a ni s m ，De t e c t i on a nd Pr e v e n t i o n o f W a t e r Tr e e i ng i n XLPE Po we r Ca bl e s CHEN Ta o．e t a l ( S p e c i a l E l e c t r i c A p p a r a t u s — L u n e n g T a i s h a n E l e c t r i c C a b l e C o ． ， L t d ． ， X i n t a i 2 7 1 2 0 0 ， C h i n a ) Abs t r a ct ：I n t h i s p a p e r t h e me c ha n i s m a n d d e t e c t i o n o f wa t e r t r e e i n g i n t he XLPE c a bl e i n s u l a t i o n we r e a na l y z e d． Me a s u r e s t O p r e v e n t wa t e r t r e e i n g g e n e r a t i o n i n t he c a bl e i n s ul a t i o n we r e r e c o mme n de d ． Ke y wor ds：XLPE po we r c a bl e；wa t e r t r e e i n g；me c ha n i s m o f g e n e r a t i o n；p r e v e n t i o n O 引 言 目前 ， 交 联 聚 乙 烯 ( X L P E) 绝 缘 电力 电 缆 产 品 的生产及应用 已有近三十年的历史。其在干燥环境 下具有优良的电气和机械性能 ， 但在实际应用 中电 缆敷设的环境通常比较恶劣 ， 电缆经常需要短期或 长期 浸 泡在水 中 ， 或者 处在 潮气 湿度很 大 的环境 下 。 在此条件下长期使用， 绝缘会逐渐吸收环境 中的水 分 ， 在电场的作用下久而久之会在电缆绝缘 中引发 大量的水树 ， 水树老化使绝缘高分子裂解。当绝缘 中水树达到饱和状态时， 绝缘 电气和机械性能将急 剧下 降 ， 导 电的水 树 即电树会 损耗 大量 的 电能 ， 并最 终引起 电缆绝缘击穿 ， 从而大大减少电缆寿命。据 统计 ， 国 内城 网 1 0～ 3 5 k V电力 系统 中 ， 地 下使 用 的 普通 X L P E绝缘电缆 ， 普遍在运行 8至 1 2年生长出 大量水树， 致使大量交联 电缆因水树而发生击穿事 故 ， 影 响电 网的安全 运行 。 日本曾对电缆老化现状做过调查 ， 并对空气 中 与浸 水 中 电缆 进 行 老 化 特 性 的 比较 ， 得 出 以下 结 论 ： ( 1 )对 经历 了 1 2年 、 1 2 ． 4年 、 1 4年运 行 的 3回 7 7 k V电缆( 干法交联 、 三层共挤结构 ) 撤出后进行 了工频、 冲击击穿试验 ， 结果显示其绝缘击穿电压均 比投产初期降低 2 5 ％ ～ 5 0 ％。同时 ， 水树分布 的考 收稿 日期 ： 2 0 0 9 ~2 1 2 作者简介 ： 陈涛 ( 1 9 7 7一) ， 男 ， 工程师． 作者地址 ： 山东新泰市金斗路 5 6 8号 [ 2 7 1 2 0 0 ] 察结果显示 ， 地下 电缆被水浸泡造成水树 的生长情 况 比在空气 中 的情 况要 显著 。 ( 2 )对 2 7 5 k V具 有径 向防水 构造 的铝包 X L P E 电缆投入使用 1 0年后抽检， 撤出 3条 2 5 I n长电缆 做绝缘击穿测试 ， 结果显示与投入使用前性能相近。 其领结形水树的长度最大约为 1 6 0 m， 被确认绝缘 性能 没受 影响 。 ( 3 )曾对仅有普通 P V C外护层、 含铅箔的简易 防水 层 、 铝 护套 等 3种型 式 6 6 k V电缆 做 研究 。按 外部 浸水条 件做 对 比测 试 ， 结 果 显 示具 有 径 向防水 构造的电缆绝缘性能与初始性能相 同； 而没有径向 防水层 的普通 P V C外护层电缆 ， 在不长时间其绝缘 性能 已有 降低趋 势 。 因此 ， 水树对于交联电缆的危害性是很大的， 需 要对其 产生 机理 、 检测 及 预防 方法 进 行 认 真研 究 分 析 1 水树产 生机理分析 水树是电缆绝缘 中水分在高压电场作用下形成 的发散形 或 领 结 形 的气 隙 ( 见 图 l 、 图 2 ) 。在 交 联 电缆绝缘 中的空隙有水树 、 电树和化学树等形状 ， 它 们产生的机理都不完全相同， 但在它们生长的过程 中却可以相互转化、 相互促进。 自1 9 6 7年发现 X L P E绝缘水树 老化后 ， 目前 已 确认水树是交联电缆绝缘老化的主要原因。大量试 验表明水树会造成局部应力增大。高温下水树会发 生明显的氧化 ， 导致 吸水性增大 ， 导电性升高 ， 最终 2 0 0 9年第 4期 No． 4 2 0 09 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e＆ Ca b l e 2 0 0 9年 8月 Aug ．， 2 00 9 图 1 发散形水树 图 2领 结 形 水 树 会 出现热 击穿 ； 低温 下 ， 水 树经较 长 时间氧化 或转化 为电树 ， 破坏性 就更 严重 。在理论 研 究过程 中 ， 一般 假设电缆水树存在区域为典型的圆柱形电场 。交联 电缆在运行中产生较高的电场 ， 使绝缘层 在相对较 低 的电场强度 下就 会 遭 到 破坏 而 出现树 枝 状 空 隙。 目前 国 内外研 究水 树 生 长 机理 的理 论及 观 点 较 多 ， 其 中已经得 到广泛 认 同的主要 有下 面三点 。 1 ． 1应力作 用 在生产 和运行 过程 中 电缆 的 内部应力是 促进水 树生长的主要原因， 其中剩余应变使水树增长在理 论研 究 中被普遍 重视 。 当电缆在经 受 电压 和水 分作 用时， 导体附近的交联聚乙烯绝缘的应变就会增加， 而在 应变 较大 的区域便 生成 水树 。在高压 工频 电场 中， 极性水分子产生强烈的迁移并将 电场能转化为 动 能和热 能 ， 获 得 巨大 能量 的水 分 子在 电缆 内部 剧 烈运动。当水分子能量足以打断电缆绝缘层交联聚 乙烯分子链 的时候， 就会在绝缘 内部产生细微 的裂 纹 。 电缆 应 变 大致 有 三类 ， 即在 生产 过程 中引起 的 应变、 在敷设过程中由于拉伸和弯曲引起的应变， 以 及在电缆运行中由于绝缘间隙中的水分在电场作用 下引起的应 变即剩余应 变 。剩余应变形成水树 主要有两种原因： 一是间隙内的水分由于损耗发热 而 产生热 膨胀力 。 电缆 中的损耗 主要是导 电线 芯损 耗 、 介质损耗、 金属屏蔽和铠装损耗 ， 由于损耗发热 ．2 ． 会使温度升高。据 日本东京电力工业研究所计算 ， 间 隙 内的水 分 每升 高 1 0 c I = ， 压力 会 升 高 4 7 ． 3 k g ／ c m ， 从 而造成 微观 间 隙 的生长 ； 另 一 个 原 因是 电致 伸缩 力 。一个充 水 的间隙在 电场 的作 用下会 受 到向 间隙外 的 、 沿着 电场 方 向 的麦 克斯 韦 应力 和 海 默霍 德应 力 ， 称 为 电致 伸缩 外 向力 。 同时 水 的表 面 张力 会对 抗外 向力 造成 电致伸缩 。此时 间隙受 到 的净 压 力 P为 ： P： 1 ． 4 4 1 0一 E 0 — ．0 — 6 式 中 ， r 为水 的半 径 ； E为 电场强 度 。这 个应 力 沿 电 力 线方 向 ， 且从 间 隙向外 ， 产 生 的机 械应力 可达几 十 k g ／ c m 。如该方向上存在无定型区和杂质 ， 便会使 间隙扩 大发展 ， 导致水 树生 长。 1 ． 2化 学势 作用 电场下 的化学 势作用 发展 了水 树 。若 将绝 缘浸 在水中， 并对绝缘施加 电场 E 。 ， 少量 的水分子将会 扩 散进 绝缘 ， 其 化 学 势 为 。 ， 当绝 缘 内有 一 充 分 的 微观空 隙 ， 其 化学势 为 ： ， 场 强为 E ， 外 界水 的化学 势为 。 。 ， 则 绝缘 内电场的总 的化学势 为 ： o o一 1 E ( ) 式 中 ， 。 为真 空介 电 系数 ； p为水 的密 度 ； 为 水 的 介 电系数 。 水 向化 学 势 较 小 的部 分 运 动 ， 直 至 平 衡 ， 即 ： = = 。。 。 微 观 空 隙 中的 水 和 扩 散进 绝 缘 材 料 中 的水 之 间的平 衡状 态会对 间 隙产生压力 P ． ： P l= 0 k o p E 一P 式 中 ， k 。为常 数 ， k 。 = 7 ． 9 X 1 0 I 2 ( m ／ k g ) ； p为水 的 密度 ； P 为界面对微观空隙中的水施加的压力。 假定微 观空 隙是 圆球 形 ， 则 ： P = 百2 a 一 8 o E ： 式 中 ， 仪为水 和 绝缘 之 间 的界 面 张 力 ( N ／ m ) ； R 为 微 观空 隙的半径 。 若 P． > 0 ， 则微观空隙的水便会产生一个 促使 绝缘材料流动变形的力 ， 于是会增加微观空隙的体 积 ， 即水树 的生 长 。 1 ． 3 水树 生长 与局部放 电彼此 的诱 因 在局部放 电高压电场下， 绝缘内部 的水分子从 电场中获得能量 ， 产生水锤效应。在水分子的撞击 下 ， 交联聚乙烯高分子链发生断裂 ， 并在电缆绝缘层 中出现细微气隙。气隙不断长大逐步生成水树。按 照电位移定理， E = E ： ： =⋯⋯ = E 占 ， 水树气隙 内部的电场强度明显高于绝缘 中电场强度， 并产生 2 0 0 9年 第 4期 No ． 4 2 00 9 电 线 电 缆 El e c t r i c W i r e＆ Ca b l e 2 0 0 9年 8月 Aug ．， 2 00 9 电场集 中 。根据 下式可 以计 算含水 分 子 的气 隙 中相 对介电常数值 ( 相对电容率) ： Ⅳ ， 2 、 r 十 ( + ) 经计 算 ， 在 2 0 o C、 1 0 1 ． 3 k P a 、 相 对 湿 度 为 6 0 ％ 的气隙中， 相对电容率为 1 ． 0 0 0 7 1 ， 略大于干燥气体 的相对 电容 率 1 ． 0 0 0 5 8 。 随着 气 隙 的增 长 ， 气 隙 内 空气湿度( 水分子含量 ) 会有所降低 ， 同时气隙能够 承受 的放 电电场 场 强 随气 腔 增 大 而增 大 ， 所 以随 着 水 树气 隙 的长大 ， 生长速 度逐 渐减 慢 。 除 了水 树 生 长 引起 电场 的变 化 ， 我 们 还能 够 看 到 电场在 水树 生长 过程 中起 到的作 用 。避 免水 树 的 生长 ， 不仅需要避免水汽和残余水分的存在 ， 而且还 需要 改善 电缆 绝缘 内部 电场分 布 。 2水树 老化检测方法 2 ． 1场致发 光 法 加 拿大 国家科 学研 究协会 曾对 X L P E 电缆绝 缘 的电树成 长过 程 进 行 了深 入 研 究 。结 果 表 明 ， 在 电 树起始前聚合物中电场强度增高点发射 出的光， 不 是 因局 部 放 电 引起 的 ， 而 是 由一 种 “ 场 致 发 光 ” 引 起 。 由于场致 发光 ( E L ) 在 水 树 转 化 为 电树 之前 就 发射 出来 ， 所 以可藉 以察觉聚合物材料 出现水树老 化 ， 因为一旦 电树 开始 ， 电缆击 穿就 即将 发生 。 2 ． 2 HF P D信 号检 测法 HF P D信号处理的频率范围为 1 0 0～5 0 0 MH z ， 适用于短段 电缆 和 电缆 附件 。荷兰运 用 H F P D在 1 5 0 k V 电缆 线路 实施 运行 检测 的 电缆 终端 已达 1 0 0 个左 右 。其 噪 声 水 平 仅 为 工 频 下 传 统 局 部 放 电 的 1 ／ 3～1 ／ 1 0 0 ， 通常 1个 人 每 天 可检 测 6个 终 端 。如 某终端运行 2年后发生故障 ， 而击穿前数 月 H F P D 水平已有大幅增加 ， 且检查该终端界面确存在水树 现象 ， 因而 可 以确 认 HF P D有 效 。 日本也 早 已开 发 此类 技术 ， 采取 5～ 5 0 MH z的 信 号处 理 。如一种 适 于绝缘 接头 的金 属箔 电极 法局 部 放 电检测 ， 运 用至 2 7 5 k V X L P E电缆 长 9 ． 5 k m线 路 ， 在 1 0 MH z 下 检 出灵 敏度 为 1 p C， 对 相 距 6 1 7 I l l 的邻近接头在 3 MH z 下检出灵敏度为 1 5 p C 。 2 ． 3耐压 试验 法 耐压 试 验 法是 判 断 绝 缘性 能 最 直 接方 式 ， 它 实 质归属于破坏性试验 。迄今 ， 鉴于工程实践 中对于 X L P E电缆绝缘老化检测 的有效性 方法极为 有限 ， 因而仍需依赖耐压试验法做出判断。 试验 电压波形选择要考虑水树检测能力、 对健 全绝缘部位的影响、 试验装置体 积大小 以及试验耗 费等因素。 日本基于测试实践对波形 的评价 ， 综合 认为评估电缆残余寿命 的水树检测 ， 以超低频试验 电压波形较宜。理想试验 电压 的考虑方式 ， 是使能 继续运行 的电缆经受耐压 ， 使不能继续 运行 的电缆 经 由耐压 试 验击 穿 。 因击 穿 电 压 具 有 一 定 的 离 散 性 ， 故需对各试验电压结果呈现的概率作统计分析。 3预防水树的方法 3 ． 1 采用 可靠 的密封 金属 护套 径 向防水 构造 1 9 9 6年广州 地 区 曾发 生 一 起运 行 l O年 的绝 缘 接头破坏事故， 其接头为非金属防水结构 ， 分析认为 水树老化是引起接头失效 的主要原因。另外 ， 结合 本文 引 言 中所 述 的 日本 做 过 的 调查 可 以知 道 ， 交 联 电缆 的径 向防水构 造对 于 防止 电缆水 树产 生至关 重 要 ， 特别是处于潮湿地方运行的电缆， 应采用可靠的 密封 金属 护套 径 向防 水 构 造 ， 设 法确 保 电缆 金 属 护 套 的完整性 ， 避 免水 汽 和环境 水进 入 电缆 内部 。 3 ． 2改进 电缆 结构和 生产 工艺 ， 消 除 电缆 绝缘 结构 中局部 应 力集 中的缺 陷 根据实际经验 ， 发散形水树经常产生在导体屏 蔽 和绝缘 的交 界 处 ， 一 般 是 由于 导 体 屏 蔽 缺 陷 ( 凸 起、 凹陷、 杂质等 ) 引起 ， 因此在生产过程 中应采用 超光 滑半 导 电屏蔽 料 ( 导 体 屏 蔽 和绝 缘 界 面无 大 于 0 ． 0 5 m m的突起 ) ， 合理调整屏蔽和绝缘挤 出量， 使 导体屏蔽和绝缘界面无嵌入现象， 这样可以有效防 止 发 散形水 树产 生 。领结 形水 树 一般产 生在 绝缘 内 部 ， 在 绝缘 内部 应力 变化 较大 处易 引发 领结形 水树 ， 如 气孔 、 杂 质 、 水 分 等 ， 因此 在 生 产 过程 中应 采 用超 净 级交 联聚 乙烯 绝缘 材料 ( 无大 于 0 ． 0 5 m m 的不透 明杂质 ) ， 在 高 洁 净 度 条 件 下 通 过 全 干 式 交 联 生 产 线完成三层共挤及交联反应 ， 可以有效避免绝缘 内 部 杂质水 分 等应力 集 中缺 陷诱 发领结 形水 树 。 3 ． 3在 生产 和敷设 过 程 中尽 量减 少 内部应 力 电缆 内部 未 释放 的应力 在运 行过 程 中受到 内部 电场和外部环境的作用后 ， 会促使 电缆绝缘结构发 生分解 和 变形 ， 导致 电缆 绝缘 性能 下降 ， 易 引发水树 产生 。所 以在 交联 绝缘 线芯 生产 时应 采用应 力消 除 装置 ， 脱气时间要充足 ， 另外在 电缆敷设安装过程中 要禁止野蛮施工 ， 要严格满足电缆允许 的弯曲半径 要 求 。 3 ． 4 绝 缘 采用抗 水树 交联 绝 缘料 以抗水树交联绝缘料制造 的交联 电缆 ， 在北美 和欧洲二十多年的现场实际应用 中表现非 常优异 ， 在 中压交联 电缆领域拥有高达9 5 ％的市场 占有率。 ( 下转第 7页) ． ． 2 0 0 9年第 4期 No ． 4 2 00 9 电 线 电 缆 El e c t fic Wi r e＆ Ca b l e 2 0 0 9年 8月 Au g ．， 2 0 0 9 表 4 1 0 k V电力电缆主要性能测试结果 序号 项 目名称 指标 试验结果 l 局放试验( 1 ． 7 3 U 0 ， 5 mi n ) ／ p C ≤l 0 2 ． 3 2 4 h工频 电压试验( 4 U 0 ) 不击穿 通过 绝缘平均厚度／ m m ≥4 ． 5 4 ． 7 3 绝缘最 薄处厚度／ m m ≥3 ． 9 5 4 ． 5 热延伸试验 ( 2 0 N ／ c m ， 2 0 0℃ ， 1 5 mi n ) 4 负载下延伸率／ ％ ≤1 7 5 5 0 冷却后变形率／ ％ ≤l 5 + 5 5 热收缩试验 ( 1 3 0℃ ， 1 h ) ／ ％ ≤4 l 6 绝缘吸水试验 ( 8 5℃ ， 1 4 d ) ／ ( mg ／ c m ) ≤1 0 ． 0 3 老化前 抗拉强度／ MP a ≥l 2 ． 5 1 8 ． 9 断裂伸长率／ ％ ≥2 0 0 5 4 5 老化后 7 抗拉强度／ MP a 2 2 ． 1 抗拉强度变化率／ ％ ≤ 2 5 1 6 ． 9 断裂伸长率／ ％ 5 7 8 断裂伸长率变化率／ ％ ≤ 2 5 +6 注 ： 本 试 验 数据 摘 自国冢 电线 电缆 质 量 监 督 检 验 中心 检 验报 告 。 设备均匀交联的厚度可达 l 6 ． 5 m m以上 ， 为原来的 7倍 。 ( 3 )1 k V电缆 的分 色标识 问题 得 到 了解 决 。 ( 4 )电缆材料 的 耐温 等 级有 了重 大 突 破 ， 研 制 开 发 了 9 O℃ 、 1 0 5 o C、 1 2 5 o C、 1 3 5 o C等 系列 紫 外 光 电缆材料。 ( 5 )低烟无 卤阻燃光交联 电缆料配方体系小试 成功 ， 为研制开发特种电缆提供 了技术支持。 ( 6 )成 功研 制 了以微 波激 发无极 灯 为光 源的紫 外 光辐 照交 联设 备 。 ( 7 )发展 了适 合 于 紫外 光 辐 照 交 联 的 “ 2+i ” 挤 出光 辐照交 联新 工艺 技术 。 ( 8 )研制 成功 光交 联聚 乙烯 绝缘 1 0 k V电缆 新 产 品 。 ( 9 )将 光交联技术应用于三元 乙丙橡胶 ( E P - D M) 、 乙烯一 醋酸乙烯 ( E V A) 等系列 材料 ， 拓宽 了光 交 联技 术 的应用 领域 。 由上述 可知 ， 紫 外 光 交联 聚 乙烯 新 技 术 目前 仍 处 在发展 和完 善 的过程 中 ， 工 业应 用才 刚 刚起步 ， 因 此 ， 应用领 域 尚须拓 宽 ， 应用基 础研 究还 须进 一步 加 强 ， 特别是 在研 制 与高 分 子 材 料 有 更好 相 容 性 的 光 引发 剂和交 联剂 ， 完 善 光 交 联 工艺 技 术 等 还 有 许 多 的研究 工作 要做 。 参 考文献 [ 1 ] 瞿保钧 ， 施文芳． 聚乙烯光引发交联及其工业 应用研究 的新进 展 [ J ] ． 高分子材料科 学与工程 ， 1 9 9 0 ( 6 ) ： 3 7 ． [ 2 ] 瞿保钧 ， 梁任又 ， 徐云华 ， 等． 生产 电缆用紫外光交联设备[ P ] ． 中国专利 ： Z L 9 8 2 5 0 1 8 0 ． 3 ． [ 3 ] 瞿保钧 ， 徐 云华 ， 梁任又． 光 交联 聚烯 烃绝 缘 电缆 的生产 方法 及其光交联设备 [ P ] ． 中国专利 ： Z L 9 8 1 1 1 7 2 2 ． 8 ． [ 4 ] 瞿保钧 ， 吴强华 ， 梁任又 ， 等． 一种生产 电线 电缆用紫外光交 联 设备 [ P ] ． 中国专利 ： Z L 2 0 0 4 2 0 0 2 6 4 2 9 ． X． ( 上 接 第 3页 J 该种绝 缘 料 水 树 生 长 速 度 仅 为 普 通 交 联 绝 缘 料 的 1 0 ％ ， 所 以具有 优 异 的抗 水树 性 能 。 比较 典 型 产 品 如 陶 氏化 工 的 HF D B 4 2 0 2 N T E C抗 水 树 交 联 绝 缘 料 ， 国 内也有厂 家在 研制 开发 ， 但抗 水树 效果 有待 验 证 。 3 ． 5合理设 计绝 缘层 厚度 在保证树枝老化薄弱点不 击穿 的前提 下， 尽量 减 小绝 缘层厚 度 ， 有 利 于减 少 绝 缘 薄 弱点 的数 量 和 击穿 概率 。 4结束语 ( 1 )水树对于交联 电缆 的危害性是很 大的， 其 产生和发展主要受应力作用、 化学势作用、 局部放电 作用影响。 ( 2 )电缆水树老化检测 方法主要有场致 发光 法、 HF P D信号检测法 、 耐压试验法等三种。 ( 3 )交 联 电缆 的水 树 产 生 原 因很 复 杂 ， 因 此 预 防水树 产生 需要 综合 防治 ， 首先 从原 材料 人手 ， 选用 超光 滑半 导 电屏 蔽 料 和 超 净 级 交 联 聚 乙 烯 绝 缘 材 料 ， 或采用抗水树交联绝缘料 ， 其次从生产工艺角度 出发要控制导体屏蔽和绝缘 界面无 凸起 、 外界杂质 水 分不 进入 绝缘 中、 绝缘 中无 气孔 、 绝缘 应力 消除 到 最小限度 ， 最后要保证 电缆合理敷设 ， 避免在敷设过 程 中造成 绝缘 内部 应力 集 中缺 陷 。 参考文献 ： [ 1 ] 吴倩． 高压 交联 聚 乙烯 电缆绝 缘 老化 及 其诊 断 技术 述评 [ J ] ． 广东 电力 ， 2 0 0 3 ( 4 ) ： 1 ． 6 ． [ 2 ] 卓金玉． 电力 电 缆 设 计 原理 [ M] ． 北 京 ： 机 械 工 业 出版 社 ， l 9 9 9 ．